Савельев Н.И. Лукин П.М. Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

1.2. Основные параметры теплообменных аппаратов

общего назначения

Диаметр кожуха, мм:

наружный (из труб) D

=159, 273, 325, 426;

внутренний (вальцованный) D

вн

=400, 600, 800, 1000, 1200.

Длина теплообменной части труб, м: l

=1; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 6,0; 9,0.

Площадь поверхности теплообмена, м

обтср

π nldF  , (1.1)

где d

ср

– средний диаметр труб, м; l

– длина теплообменных

труб, м; n

об

– общее число труб в теплообменнике.

1.3. Общая последовательность выполнения работы

Этап 1. Сбор данных о свойствах теплоносителей.

На первом этапе по справочной литературе находят сведе-

ния об основных свойствах теплоносителей:

– физические свойства (внешний вид, температура кристалли-

зации, кипения, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения);

– теплофизические свойства (теплоемкость, удельная тепло-

та парообразования, коэффициент теплопроводности);

– коррозионные свойства (скорость коррозии основных кон-

струкционных материалов в среде теплоносителей при рабочих

температурах);

– токсикологические свойства (предельно допустимая кон-

центрация в воздухе рабочей зоны, в воде водоемов хозяйствен-

ного и рыбохозяйственного назначения);

– взрывопожароопасные свойства (температура вспышки,

температура самовоспламенения, концентрационные пределы

распространения пламени).

Все эти данные необходимы для последующего обоснован-

ного выбора конструктивного исполнения аппарата, выполнения

тепловых, гидравлических и механических расчетов, разработки

мероприятий по охране труда и промышленной безопасности.

Этап 2. Выбор типа аппарата, разработка схемы соединения

теплообменника трубопроводами с другим оборудованием.

На основании полученного задания выбирают тип аппарата

(испаритель, конденсатор, холодильник или теплообменник) и

нормативный документ, в котором приводятся его технические

показатели.

Принимают техническое решение о вертикальном или гори-

зонтальном размещении теплообменника, о направлении дви-

жения теплоносителей по трубному и межтрубному пространст-

вам. При этом следует выполнять следующие правила:

– теплоносители, которые только нагреваются или охлаж-

даются (нет испарения или конденсации), должны двигаться в

теплообменнике в турбулентном режиме (Re

тр

>10

, Re

м.т

>10

);

– если ни один из теплоносителей не испаряется или не

конденсируется, они должны двигаться, как правило, противо-

током;

– в трубное пространство, которое поддается механической

чистке, следует подавать теплоноситель, дающий отложения на

теплообменной поверхности;

– направление движения теплоносителей по возможности

должно совпадать с направлением их естественной конвекции;

– при пуске и эксплуатации в теплообменнике не должны

образовываться газовые «мешки», застойные зоны;

– при подготовке оборудования к ремонту из теплообмен-

ника теплоносители должны полностью удаляться.

Разрабатывают принципиальную технологическую схему со-

единения теплообменника трубопроводами с емкостями, насосами,

реакторами, массообменными аппаратами с указанием контроль-

ных точек технологического контроля теплообменного процесса.

Этап 3. Определение необходимых технологических и

конструктивных параметров.

На этом этапе выполняют предварительный тепловой рас-

чет, в ходе которого:

– определяют температурную схему теплообменного процесса;

– по уравнениям теплового баланса определяют расходы те-

плоносителей и их температуры на входе и выходе из теплооб-

менника;

– вычисляют средний температурный напор, находят сред-

ние температуры теплоносителей;

– по приближенному значению коэффициента теплопереда-

чи для данного вида теплообмена находят ориентировочный

размер площади поверхности теплообмена;

– определяют, при необходимости, число труб в одном ходе

для обеспечения турбулентного режима движения теплоносителя.

Этап 4. Подбор стандартного теплообменного аппарата.

По нормативному документу выбирают стандартный тепло-

обменный аппарат, который соответствует найденным парамет-

рам, и выписывают его конструктивные параметры. При необ-

ходимости используют группу одинаковых теплообменников,

соединенных последовательно или параллельно.

Этап 5. Поверочный расчет выбранного аппарата.

Выполняют тепловые, гидравлические и механические рас-

четы. При выполнении тепловых расчетов:

– по справочной литературе находят теплофизические

свойства теплоносителей при их средних температурах;

– рассчитывают коэффициент теплопередачи или удельный

тепловой поток;

– определяют избыток фактической площади теплообмен-

ной поверхности по отношению к рассчитанному значению.

Этап 6. Оформление расчетно-пояснительной записки, про-

ектирование теплообменного аппарата и аттестация курсового

проекта. Правила оформления и аттестации курсового проекта

представлены в методических указаниях [1].

Вопросы для самопроверки

1. Назовите четыре вида кожухотрубчатых аппаратов по технологиче-

скому назначению.

2. Можно ли использовать теплообменник для конденсации паров во-

ды или органических веществ?

3. Какая среда должна подаваться в трубное пространство холодиль-

ников и конденсаторов?

4. Назовите основные технические параметры кожухотрубчатых аппа-

ратов общего назначения.

5. Данные о каких свойствах теплоносителей необходимо собрать на

1-м этапе проектирования?

6. Какой теплоноситель предпочтительно подавать в трубное про-

странство?

7. Какой результат считается положительным при выполнении пове-

рочного теплового расчета выбранного теплообменного аппарата?

2. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ

2.1. Исходные данные

Для расчета необходимой поверхности теплообмена между

относительно «горячим» и «холодным» теплоносителями или

длительности периодических процессов предварительно необ-

ходимо найти значения 10 базовых величин:

– начальные и конечные температуры теплоносителей

(4 значения);

– средние температуры теплоносителей (2 значения);

– средний температурный напор (1 значение);

– массовые расходы горячего G

и холодного G

теплоноси-

телей, а в периодических процессах – их массы М

(2 значения);

– тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному,

тепловая нагрузка N (1 значение).

Некоторые из этих данных содержатся в задании на курсо-

вое проектирование. Недостающие значения вычисляют по

уравнениям теплового баланса (2.5) – (2.9) c учетом реальной

температурной схемы процесса. Полученные результаты ото-

бражают на расчетной температурной схеме (рис. 7).

Рис. 7. Пример температурной схемы процесса охлаждения дихлорэтана испа-

ряющимся аммиаком с цифровыми значениями 10 величин

= 0,215 кг/с

= 6,94 кг/с

=277,3 кВт

-30

-11

«Горячий» теплоноситель – дихлорэтан,

охлаждается в трубном пространстве.

Средняя температура дихлорэтана

ср(г)

= t

ср(х)

+t

ср

*= 2

«Холодный» теплоноситель – аммиак,

испаряется в межтрубном пространстве.

Средняя температура аммиака

ср(х)

= –30

Средний температурный напор

по уравнению (2.1) t

ср

*= 32

2.2. Типовые температурные схемы теплообменных

процессов и средний температурный напор

Тип А. Температурные схемы

без фазового превращения

обоих теплоносителей

Тип Б. Температурные схемы

с фазовым превращением

одного или обоих теплоносителей

А1. Противоточное движение

теплоносителей

Б1. Нагрев холодного потока

конденсирующимся паром

А2. Прямоточное движение

теплоносителей

Б2. Испарение жидкости

охлаждающимся теплоносителем

А3. Смешанное движение

одного или обоих теплоносителей

Б3. Испарение жидкости

конденсирующимся паром

Средний температурный напор вычисляют по уравнениям

,0,25,0 при

; при

)ln()ln(

ср





























ttt

(2.1)

где )( ),(

бхбг

бахаг

tttttt  – температурные напоры на

стороне «а» и на стороне «б» теплообменника;

t

 – коэффи-

циент учета уменьшения температурного напора в многоходо-

вых теплообменниках для схем типа А3.

Поправочный коэффициент

t

 для многоходовых тепло-

обменников находят, как правило, по номограммам [7. C.560].

Вначале вычисляют безразмерные параметры:



 и



 , (2.2)

где t

и t

– начальная и конечная температура теплоносителя в

межтрубном пространстве; Т

и Т

– то же другого теплоноси-

теля в трубном пространстве,

С.

Затем по номограмме (рис. 8) определяют значение

t

 .

Рис. 8. Уменьшение среднего температурного напора в многоходовых по

трубному пространству теплообменниках

Среднее значение температуры «горячего» (г) и «холодно-

го» (х) теплоносителей вычисляют по соотношениям





ttt ,5,0

бaср

 (2.3)

срср(х)ср(г)

ttt  (2.4)

По формуле (2.3) находят значение средней температуры теп-

лоносителя, у которого абсолютная разница значений температур на

входе и выходе из теплообменника

бa

tt  имеет меньшее значе-

ние. По формуле (2.4) после необходимого преобразования вычис-

ляют среднее значение температуры второго теплоносителя.

2.3. Тепловой баланс теплообменных процессов

Общее уравнение теплового баланса, кВт, в интегральной

форме имеет вид

рп







HMMrtcM

iii

(2.5)

где N – непрерывные тепловые потоки, кВт; M

– масса аппара-

та, реакционной массы, теплоносителя, кг; с

– теплоемкость i-й

части системы, кДж/(кгК); t

=(t

– t

)

– разница между конеч-

ным и начальным значениям температуры i-й части системы,

град; M – масса вещества, которое испарилось (знак плюс) или

сконденсировалось (знак минус), кг; r – удельная теплота паро-

образования, кДж/кг; x – степень сухости пара; M – масса веще-

ства, с которой произошли физико-химические процессы, кг; H –

удельный тепловой эффект физико-химических процессов (теп-

лота гидратации, кристаллизации и др.), кДж/кг;  – длитель-

ность основной части периодического процесса, с.

В непрерывных стационарных процессах правая часть урав-

нения (2.5) равна нулю.

Отдельные слагаемые левой части уравнения (2.5) вычис-

ляют по уравнениям (2.6) – (2.9), кВт:

– нагревание или охлаждение теплоносителя

бa111

ttcGN  ; (2.6)

– испарение или конденсация теплоносителя

2222

хrGN  ; (2.7)

– физико-химические превращения

333

Δδ НGN  ; (2.8)

– тепловые потери или потери холода

пппп

tFN  , (2.9)

где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; α

– коэффициент

теплоотдачи от поверхности аппаратов в окружающий воздух,

Вт/(м

К),

пп

07,074,9 t ;

t – разница между температурой

внешней поверхности теплоизоляции и окружающей среды,

град; F

– площадь внешней поверхности аппарата, м

При проектировании толщину слоя теплоизоляции 

из

вы-

бирают так, чтобы температура внешней поверхности теплоизо-

ляции аппарата t

не превышала, как правило, 50

С, а удельный

поток тепловых потерь находился на уровне

мВт500q .





пикизиз

qtt  , (2.10)

где 

из

– коэффициент теплопроводности теплоизоляционного

материала, Вт/(мград);





ик

tt  – разница между значениями

температуры корпуса аппарата и внешней поверхности тепло-

изоляции, град.

На этапе выполнения предварительного расчета, когда габа-

ритные размеры теплообменника и площадь внешней поверхно-

сти аппарата неизвестны, тепловые потери не учитывают.

2.4. Предварительный расчет площади поверхности

Необходимую площадь поверхности, м

, теплообменника

вычисляют по основному уравнению теплообмена:

1000

или

1000

ср





 , (2.11)

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м

К); q – удельный

тепловой поток, Вт/м

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению

аддитивности термических сопротивлений

ст

111













 rr

. (2.12)

В уравнении (2.12) коэффициенты теплоотдачи α, Вт/(м

К),

в первом приближении оценивают по соотношению





 , (2.13)

где  – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(мК); 

–

условная толщина теплового пограничного слоя, м.

При конденсации паров значение  берут для образующе-

гося конденсата, жидкости.

Условная толщина теплового пограничного слоя 

зависит

от вида теплоотдачи, режима движения и других факторов

(табл. 2).

Таблица 2

Условная толщина теплового пограничного слоя

Вид теплоотдачи Условия процесса 

10

, м

Движение потока внутри труб

 0,3

Нагрев,

охлаждение

Поперечное обтекание труб снаружи

 0,2

При отсутствии инертных газов

 0,05

Конденсация

паров

В присутствии инертных газов

 0,2

Кипение жидкостей Докритический режим

 0,3

Значения термических сопротивлений слоев загрязнений на

стенке r

и самой стенки

стстст

/ r в первом приближении

приведены в табл. 3.

Таблица 3

Примерные значения термических сопротивлений

Объект

Теплоноситель

или материал стенки



К/Вт

Оборотная вода

 0,50

Рассол, органические жидкости, водяной пар

 0,17

Пары органических веществ, хладонов,

дистиллированная вода

 0,08

Вода загрязненная, нефтепродукты сырые

 0,70

Слой

загряз-

нения

Воздух

 0,35

Нержавеющая сталь

 0,14

Углеродистая сталь

 0,06

Теплопе-

редающая

стенка

Латунь

 0,02

2.5. Выбор стандартного теплообменного аппарата

Для обеспечения интенсивного теплообмена и уменьшения

скорости образования отложений режим движения жидких или

газообразных теплоносителей должен быть турбулентным, т.е.

должны выполняться условия:

– при продольном течении в трубках

;00010Re

тр

трвнтр

тр









(2.14)

– при поперечном обтекании труб

1000

мнарм

мт









. (2.15)

Эти условия определяют необходимую площадь проходно-

го сечения трубного S

тр

и межтрубного S

мт

пространств тепло-

обменника, м

вн

тр

тртр

тр







 , (2.16)

нар

мм

мт







 , (2.17)

где d

вн

и d

нар

– внутренний и наружный диаметры теплообмен-

ных труб, м;  – динамический коэффициент вязкости, Пас; W –

скорость теплоносителя, м/с.

Необходимые площади проходных сечений в случае тем-

пературных схем типа А1 – А3 вычисляют для обоих тепло-

носителей, в случае температурных схем типа Б1 и Б2 – одно-

го теплоносителя, который нагревается или охлаждается. При

реализации температурной схемы типа Б3 такие расчеты не

выполняют.

На основе полученных данных по табл. 4 или 5 выби-

рают стандартный аппарат или группу аппаратов, соединен-

ных потоками теплоносителей последовательно или парал-

лельно (рис. 9).

Рис. 9. Примеры схем последовательной и параллельной работы

кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

тр